在鋼鐵廠的高爐旁、化工廠的冷卻塔下，大量溫度低于100℃的低品位熱能（LGH）正悄然散失。據估算，全球工業廢熱中約63%屬于此類“低溫廢熱”，它們因能量密度低、回收難度大而長期被忽視。然而，隨著能源危機加劇，如何將這類廢熱轉化為可用能源，成為學界和工業界共同關注的焦點。近期，中國科研團隊提出一種新型熱機系統——氦氣間隙擴散蒸餾-多級反向電滲析熱機（HGDD-MSRED），為低溫廢熱的高效利用提供了新思路。

從“廢熱”到“電能”的轉化密碼

傳統廢熱發電技術（如蒸汽輪機）通常需要高溫熱源（>300℃），而低品位熱能的利用則面臨技術瓶頸。HGDD-MSRED熱機的核心創新在于將兩種成熟技術巧妙結合：

  • 氦氣間隙擴散蒸餾（HGDD）：通過氦氣層加速水蒸氣擴散，在常壓下實現鹽水溶液的高效分離，生成高濃度（HC）和低濃度（LC）鹽溶液。
  • 多級反向電滲析（MSRED）：利用HC與LC溶液的鹽度梯度，通過離子交換膜產生電流，類似于“鹽水電池”的放大版。

與需要真空環境的傳統膜蒸餾技術相比，HGDD在常壓下運行，省去了增壓泵的能耗；而MSRED采用多級串聯設計，可靈活調節輸出功率，適應工業場景的動態需求。實驗表明，該系統在95℃熱源和35℃冷源條件下，最高能量轉化效率達2.96%，較同類系統提升近一倍。

效率提升的“三把鑰匙”

研究團隊通過數學模型和實驗驗證，揭示了影響系統性能的關鍵參數：

  1. 鹽溶液濃度：平衡的藝術
    冷流鹽濃度（mc）過低會降低HC溶液濃度，削弱發電效能；但濃度過高反而增加離子結合效應，抑制水分蒸發。實驗發現，當mc維持在2 mol/kg時，系統效率達到峰值1.68%。這類似于烹飪時“鹽多則苦，鹽少則淡”的平衡法則。
  2. 溫度調控：熱交換的博弈
    提高熱源入口溫度（Tinh）可增強水蒸氣蒸發量，但需同步優化冷源溫度（Tc）。例如，當熱源溫度升至95℃、冷源溫度調至35℃時，系統效率躍升至2.64%。這種“溫差驅動”機制，類似于利用暖氣片與室外冷空氣的溫差發電。
  3. 結構設計：毫米級的精妙
    氦氣間隙厚度（δc）和流道長度（L）的微調對效率影響顯著。將δc從5 mm減至3 mm、L從3 m增至5 m時，系統效率提升至2.96%。這得益于氦氣的高導熱性縮短了熱傳遞路徑，而延長流道則強化了熱交換過程。

橫向對比：效率競賽中的“優等生”

與近年提出的其他廢熱發電系統相比，HGDD-MSRED展現出獨特優勢：

  • 膜蒸餾-反向電滲析系統（MD-RED）：最高效率1.15%，需依賴真空泵，能耗較高。
  • 多效蒸餾系統（MED-RED）：效率達1.4%，但設備復雜且維護成本高。
  • 吸附-反向電滲析系統（AD-RED）：效率僅0.55%，適合低溫但輸出有限。

HGDD-MSRED憑借常壓運行、模塊化設計和參數靈活調控，在工業適配性上更具潛力。例如，鋼廠可將冷卻水（80-100℃）作為熱源，直接接入系統產生輔助電力，減少對電網的依賴。

未來挑戰：從實驗室到工廠的最后一公里

盡管實驗室數據亮眼，HGDD-MSRED的規模化應用仍面臨挑戰：

  • 材料壽命：離子交換膜長期接觸高濃度鹽溶液可能導致性能衰減。
  • 成本控制：氦氣雖提升效率，但其價格較高，需探索替代氣體或循環利用方案。
  • 系統集成：如何與現有工業設備無縫對接，實現“即插即用”式改造。

研究團隊下一步計劃測試多元鹽溶液（如氯化鋰與醋酸鉀混合），以進一步提升發電效能，同時探索與太陽能集熱器的耦合應用，打造全天候廢熱回收網絡。

結語：廢熱回收的“工業革命”

每座工廠都是一個未被開發的“能源礦場”，而HGDD-MSRED熱機正像一把鑰匙，試圖打開這座礦場的大門。當毫米級的結構優化遇上精準的參數調控，低品位熱能的命運或許將被改寫——從煙囪頂端的縷縷白煙，變為車間里穩定流淌的綠色電流。這場靜悄悄的能源革命，或許將重新定義工業生產的可持續未來。

來源: FIE能源前沿期刊